[发明专利]半导体装置的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括氧化物半导体的半导体装置的制造方法。在此，半导体装置一般是指通过利用半导体特性工作的元件或装置。

背景技术

已知使用形成在具有绝缘表面的衬底上的半导体层来形成晶体管的技术。例如，已知使用包含硅类半导体材料的薄膜在玻璃衬底上形成晶体管并将其应用于液晶显示装置等的技术。

用于液晶显示装置的晶体管主要使用诸如非晶硅或多晶硅等的半导体材料制造。使用非晶硅的晶体管虽然其场效应迁移率低，但是可以对应于玻璃衬底的大面积化。另一方面，使用多晶硅形成的晶体管虽然其场效应迁移率高，但是需要诸如激光退火等的晶化工序，具有不一定合适于玻璃衬底的大面积化的特性。

作为可以在具有绝缘表面的衬底上形成并用于形成晶体管的其他材料，氧化物半导体受到注目。作为氧化物半导体的材料，已知氧化锌或以氧化锌为成分的物质。而且，已公开了使用电子载流子浓度低于10¹⁸/cm³的非晶氧化物（氧化物半导体）形成的薄膜晶体管（专利文献1至专利文献3）。

[专利文献1]日本专利申请公开2006-165527号公报

[专利文献2]日本专利申请公开2006-165528号公报

[专利文献3]日本专利申请公开2006-165529号公报

发明内容

作为利用半导体特性的晶体管，优选其随时间的劣化所导致的阈值电压的变化小且截止电流低等。例如，当因随时间的劣化而阈值电压的变化变大的晶体管用于半导体装置时，半导体装置的可靠性降低。另外，当截止电流大的晶体管用于半导体装置时，半导体装置的功耗增大。

本发明的实施例的目的之一是提供可靠性高的半导体装置。另外，目的之一是提供可靠性高的半导体装置的制造方法。

另外，目的之一是提供功耗低的半导体装置。另外，目的之一是提供功耗低的半导体装置的制造方法。

另外，目的之一是提供批量生产性高的半导体装置。另外，目的之一是提供批量生产性高的半导体装置的制造方法。

为了实现上述目的，本发明人等注意到的一个事实就是在将氧化物半导体用于半导体层的半导体装置中，包含在氧化物半导体层中的杂质浓度及氧化物半导体层中的氧缺损量影响到阈值电压的变动和截止电流的增大。注意，作为杂质，例如可以举出氢、诸如水等的包含氢原子的物质。

通过在沉积氧化物半导体之后进行的第一加热处理可以基本去除包含在氧化物半导体中的杂质。但是，与氧化物半导体中包含的金属强键接的杂质（例如氢及羟基）由于其强烈的键接力而残留在半导体层中。如果将残留有杂质的氧化物半导体用于半导体层，则产生不良现象，如因长期使用或光照射而半导体装置的阈值电压变动或者增大截止电流等。

另外，有由于杂质的排除工序而作为氧化物半导体的主要成分材料之一的氧也减少的问题。即使仅失去少量的氧，也在氧化物半导体中形成杂质能级，且导致诸如阈值电压的变动、截止电流的增大等的不良现象。

因此，为了实现上述目的，可以不产生氧缺损地去除残留在氧化物半导体层中的杂质，并可以将氧化物半导体层纯化到具有极高纯度。具体而言，在对氧化物半导体层添加氧之后，可以对氧化物半导体层进行用来去除杂质的加热处理。特别地，作为氧的添加方法，优选采用使用离子注入法或离子掺杂法等添加高能量的氧的方法。

通过使用离子注入法或离子掺杂法等对氧化物半导体添加高能量的氧，例如可以切断氧化物半导体中包含的金属与氢的键、金属与羟基的键或者键合到金属的羟基中的氧与氢的键。另外，从金属脱离的氢或羟基与添加的氧起反应而生成水。然后，加热氧化物半导体，可以去除通过以上反应而产生的水。

与直接去除强烈地键合到包含在氧化物半导体中的金属的氢或羟基的方法相比，通过加热去除与所添加的氧起反应而产生的水的方法更容易。另外，因为在进行加热处理之前对氧化物半导体层添加氧而使氧化物半导体层中的氧处于过剩状态，所以作为氧化物半导体的主要成分材料之一的氧在热处理中减少的问题得到缓和。

也就是说，根据本发明一实施方式，一种半导体装置的制造方法包括如下步骤：形成氧化物半导体层；对所述氧化物半导体层添加氧；以及对添加了氧的所述氧化物半导体层进行250℃以上且700℃以下的加热处理。